大型水平轴风力发电机组的总体设计.docx

1、摘 要本次设计为风电机组的总体设计，主要进行总体参数的设计，总体布局设计，并进行数据整理归纳，更直观的体现出所设计的内容及成果。首先进行功率选取，然后根据所选功率，设计风轮转速，几何参数，传动系统等。再进行翼型选择，功率控制等设计。对风力机组的基本设计过程做了阐述，内容简洁明确，设计结果为各项参数，数值准确合理，设计过程符合国家标准。关键词：功率选取；几何参数；翼型；数据归纳目 录1 引言12 总体参数22.1 额定功率22.2 设计寿命22.3 额定风速、切入风速、切出风速22.4 风轮转速22.5 传动系统的选取32.6 重要几何尺寸32.61 风轮直径和扫掠面积32.62 轮毂高度42.

2、63 倾角设计42.7 总质量52.8 发电机额定转速和转速范围52.9 叶片设计62.91 叶片数62.92 翼型选择62.10 风力机组等级选取62.11 功率控制方式72.12 防雷设计73 总体布局及部件集成化93.1 总体布局93.2 部件的集成化93.3 整体校核计算104 数据归纳表105 心得体会116 展望11致谢12参考文献13文献综述141 引言根据设计任务书的要求完成本次设计。风力发电机总体设计包含对风机叶片数的选择，轮毂及变桨系统的设计，传动链轴和齿轮的设计，机舱、主机架及偏航系统设计，塔筒和基础设计等。掌握大型水平轴风力风电机组的设计方法，熟悉相关设计软件，掌握报告

3、撰写方法。确定风力机等级、功率控制方式、制动系统形式等方面的协调与平衡，为风机总体设计的基本内容。本设计采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距、永磁同步发电机的设计。2 总体参数2.1 额定功率根据设计任务书，可选择2.5WM进行设计。2.2 设计寿命风力发电机组安全等级-的设计寿命至少为20年，所以可选择设计寿命20年。工作环境温度在-2040为宜。2.3 额定风速、切入风速、切出风速根据设计任务书参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.5m/s，60米高度年平均风速为8.5m/s，70米高度年平均风速为10 m/s，当地历史最大风速为49m/s。空气密度设定为1.225kg/m3。确定

4、：切入风速Vin=3m/s切出风速Vout=25m/s额定风速Vr=12m/s2.4 风轮转速通常将陆上风力发电机组的叶尖线速度在48-85m/s范围内，本次设计取68m/s左右。 n=30=30vR=306845=14.4 r/min式中: n风轮转速 风轮角速度 v叶尖线速度，取68 m/s综合考虑，风轮转速取n=14 r/min 2.5 传动系统的选取根据机组的总体布置要求，部分传动链将风轮轮毂的主轴与齿轮箱合一，其轴端采用法兰盘连接结构，也有的将风轮主轴与齿轮箱输人轴分别布置，其间利用联轴器连接等结构形式。主轴是传动链中价格较贵的部件之一， 从强度角度考虑，主轴通常采用锻造毛坯制造，中

5、空设计，使液压等机械元件通过。该机组发电机额定功率为2.5MW，低速轴转速为14r/min，高速轴转速为1500r/min，所选用实心刚轴的最大应力为55MPa，齿轮箱在额定条件下效率为0.94，发电机在额定条件下效率为0.97，则：低速轴角速度为 m=2n60=21460rads=1.47rads高速轴角速度为 t=2n60=2150060rads=157rads高速轴功率为 Pt=25000000.97W=2577319W低速轴功率为 Pm=25773190.94W=2741829W低速轴转矩 Mm=Pmm=2741829W1.47rad/s=1865190Nm高速轴转矩 Mt=Ptt=2

6、577319W157rad/s=16416Nm高速轴直径 DH=232Mtfs=2321641655106m=0.115m低速轴直径 DL=232Mmfs=232186519055106m=0.556m传动比为1：107以上内容为传动系统设计，在总体设计中不做深究。2.6 重要几何尺寸2.61 风轮直径和扫掠面积风轮直径决定机组捕获风能的能力。实际尺寸与风力机功率有关，风轮计算公式及结果如下所示：D=8PrCpvr312=82.51060.441.2251230.950.91=88.9 m式中：Pr 额定输出功率，取2.5WM 空气密度，取1.225kg/m1 主传动系统的总效率，取0.952

7、 发电系统效率，发电机效率，取0.96vr 额定风速，12m/sCp 风能利用系数，取0.44 取风轮直径D=90m 扫掠面积S=6362m22.62 轮毂高度塔架高度取100m轮毂高度Zhub=Zt+H=2.5+100=102.5m式中：Zt：塔顶到风轮扫掠面中心的距离，取2.5mH：塔架高度2.63 倾角设计如图 所示。可以发现, 相对于H型风力机=0, 倾角0时, 倾角越大, 叶片上下、两端受力差值之和越大, 即叶片受力越不均匀; 倾角0时, 倾角越小, 叶片上下、两端受力差值之和先减小, 后增大。相对于2.5MW风力机, 当叶片倾角大于零时, 倾角越大, 叶片受力越不均匀; 当倾角小于

8、零时, 倾角越小, 叶片受力不均匀情况先得到改善, 后又加剧。根据查找资料及计算得2.5MW水平轴风力机在考虑风剪效应下所受载荷均匀时, 对应的最优叶片倾角为-6。2.7 总质量参照现有机型及类比分析:发电机10.5t中压单元0.4t轮毂14.5t风轮50t变压器5.3t每个叶片质量10.2t2.8 发电机额定转速和转速范围采用双馈异步发电机:n=60fp=60502=1500r/min式中：n 同步转速f 电网频率，取50Hzp 发电机绕组的极对数，取2双馈异步发电机转速范围：1500130%r/min2.9 叶片设计2.91 叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比。目前用于风力发电属于高速

9、风力发电机组，即叶片数一般取3，叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，起动风速低，而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。由于三叶片的风力发电机风力发电机组整机设计的运行和输出功率较平稳，本次风力发电机组设计选用采用三叶片。每个叶片约42.5m。2.92 翼型选择综合考虑结合本设计的机组最终翼型选择为NACA 64（3）-418翼型设计为风轮设计内容，本设计不做深究。2.10 风力机组等级选取根据当地历史最大风速49m/s，及风廓线描述，并依照表1.10-1，最终风力机组风机选取为A级别。表 1.10-12.11 功率控制方

10、式功率控制方式采用变桨距控制，可以做到调节叶片节距角,达到改变攻角,降低转矩的目的。它比失速控制需要增加许多部件,如变距轴承、执行系统等,轮毂设计相对复杂,所以有时采用叶片部分变距的做法。叶片气动表面控制,叶片采用不同表面形体,来达到控制功率的目的,一般用在刹车上,或用在幅翼上。偏航控制通过转动风轮使其远离风向,减少功率吸收,它需要偏航驱动系统,轮毂要承受偏航回转力矩,总的来说控制有效、设计简单。2.12 防雷设计2.12.1 直接雷防护由于风电机组中的风机主体高度较高，加上叶片直径较大，则容易导致在空旷地带中，风机成为周围地区中最容易受到直接雷危害的物体。针对目前风电机组中仍然采用的是富兰克

11、林避雷方法也就是通过防雷过电压保护装置来对雷电进行吸引并对保护对象进行替代来遭受雷击的保护方式。因此这也要求叶片可以对强大的电流进行承受，而要通过具有良好导电性能和较轻自身重量碳纤维材料的添加来满足上述较高要求。并且将上述材料的叶片通过单独的线路将其与塔身进行连接来提供雷电流泄放的通道。此外，为了对风速计以及风标进行雷击保护，还要确保机舱主机架与机舱顶上的避雷针进行连接，而且方向与叶片相反。2.12.2 侧击雷防护在风机受到侧击雷危害时，由于雷山的最后闪络距离为45m 时，与之相对应的得到保护的最小雷电流幅值为 101KA也就是说在滚球半径为 45m 时，只要雷电流在 101KA 以上就会在接

12、闪器上出现雷电闪击问题。而且在雷电流在此数值以下时会出现绕击问题，且在被保护物体的高度在 45m 以上时会出现侧击问题。这就对风机塔身材料提出了较高的要求，不仅要做好防腐防护措施，而且要确保其在发生侧击问题时，可以对引下线的作用进行圣兽以及起到接闪的作用。2.12.3 风机接地 为了满足上述防雷要求，需要风电机组防雷接地电阻在4 以下。为了满足此接地电阻的要求，所采用的接地网的方式就是在混凝土基础上有 1 个沿基础环的环型接地与箱式变压器的环型接地组成接地网，所用的垂直接地体为镀锌钢管，而且在上述接地网的箱式变压器的反方向位置上进行三条引上线的预留来对放射接地进行外延。所用的接地材料为低电阻的

13、接地模块，而且选择具有较好导电性的黄粘土作为回填土，还要将其与物理长效降阻剂来进行搅拌使用。在所用的接地阻值满足不了上述要求时，就需要在外延线方向上进行其长度的继续延长。2.12.4 等电位连接针对风机具有较广的分布面积以及较为恶劣的电磁环境的现状，需要在风机叶片一直到控制室的终端设备都需要进行等电位连接的防雷措施。确保此方式所具有的均压效果满足在风机基础和箱式变压器的基础环型地网上不少于 2 处连接点的要求。此外，针对穿过各防雷区界面的金属物和系统，还有在一个防雷区内部的金属物和系统来说，其等电位连接还要满足以下要求: 就是等电位连接需要在风轮与机舱间、机舱与塔筒间、尾舵与水平轴间应通过铆接

14、、焊接或螺栓连接等部位应用，所用的方式为电气连接或者是单独 BVR 电缆的连接方式。2.12.5 电子信息系统防护采用电子信息系统防护措施重点是对防雷保护等级进行确定，需要在对其进行设计时按照不同的建筑物电子信息系统的特点、环境、雷电活动规律、设备所在雷电防护区和系统对雷电脉冲的抗扰度、雷击事故受损程度、系统设备的重要性来进行确定和全面规划。首先就是为了对电磁干扰的感应效应进行减少而采用将屏蔽措施在风机与控制室外部进行设置，并联合使用合适的路径进行线路敷设和屏蔽等方。其次就是针对机舱内各种机柜的防护，组要是通过变桨控制柜、使用双绞线通讯在机舱到变桨柜之间，以及采用在机舱控制室与塔底控制室之间的 UPS进线端安装电源避雷器等方式。最后就是针对塔底设备柜的防护。就是在各设备采用三级 SPD 防护的雷电波防护方式3 总体布局及部件集成化3.1 总体布局一般双馈型风力发电机组总体布置采用偏置一字形总体布局。特点：结构简单，对中性好，安装调试方便。设计如图：3.2 部件的集成化主轴与齿轮箱集成式布置是将